Thomas Dalton
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Les physiciens à la recherche de la main invisible qui façonne notre univers et les galaxies qu'il contient ont tourné leur regard vers le côté obscur. Plus précisément, une équipe recherche derrière chaque roche cosmique les soi-disant photons sombres, qui pourraient transmettre une force de la nature jusque-là inconnue..
Ces photons serviraient de médiateur à l'interaction entre toute la matière normale et la substance invisible appelée matière noire.
Mais les scientifiques ont compris depuis longtemps que la nature est étirée, tirée, écrasée et déchirée par quatre forces connues, alors comment une autre force aurait-elle pu nous cacher si longtemps? Ces quatre forces connues constituent la pierre angulaire de notre existence quotidienne: la force nucléaire forte tyrannique mais de courte portée, qui lie les noyaux atomiques ensemble; la force nucléaire faible obscure et silencieuse, qui contrôle la désintégration radioactive et parle aux particules subatomiques appelées neutrinos; la force électromagnétique audacieuse et brillante, qui domine nos vies; et la force gravitationnelle subtile, de loin la plus faible du quatuor.
En utilisant ces quatre forces fondamentales, les physiciens sont capables de brosser un portrait de nos mondes subatomiques et macroscopiques. Il n'y a aucune interaction qui n'implique aucun de ces quatre personnages. Et pourtant, les mystères abondent encore concernant les interactions dans notre univers, en particulier aux plus grandes échelles. Lorsque nous effectuons un zoom arrière à l'échelle des galaxies et au-delà, quelque chose de louche se produit, et nous donnons à ce poisson le nom de matière noire..
La matière noire est-elle simple et sans ornements, ou cache-t-elle une foule de forces jusque-là inconnues dans ses griffes? Désormais, une équipe internationale de physiciens, décrivant leur travail en ligne dans le journal de pré-impression arXiv, a utilisé un vidage de données du Large Hadron Collider - le plus grand smasher d'atomes du monde - pour rechercher une telle force. Pour l'instant, leur recherche est restée vide - ce qui est bien (en quelque sorte): cela signifie que nos lois connues de la physique sont toujours valables. Mais nous ne pouvons toujours pas expliquer la matière noire.
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Perdu dans le noir
La matière noire est une forme hypothétique de matière qui représenterait environ 80% de la masse totale de l'univers. C'est un peu un gros problème. Nous ne savons pas vraiment ce qui est responsable de toutes ces choses invisibles supplémentaires, mais nous savons que cela existe, et notre plus grand indice est la gravité. En examinant les mouvements des étoiles dans les galaxies et les galaxies dans les amas, ainsi que l'évolution des plus grandes structures du cosmos, les astronomes sont presque universellement arrivés à la conclusion qu'il y a plus que ce que rencontre l'œil galactique..
Un meilleur nom pour la matière noire pourrait être matière invisible. Alors que nous pouvons le déduire de son influence gravitationnelle (car rien n'échappe à l'œil qui voit tout d'Albert Einstein), la matière noire n'interagit tout simplement pas avec la lumière. Nous le savons parce que si la matière noire interagissait avec la lumière (ou du moins, si elle interagissait avec la lumière de la même manière que la matière familière), nous aurions déjà vu la substance mystérieuse. Mais pour autant que nous puissions en juger, la matière noire - quoi que ce soit - n'absorbe pas la lumière, ne réfléchit pas la lumière, ne réfracte pas la lumière, ne diffuse pas la lumière ou n'émet pas de lumière. Pour la matière noire, la lumière est simplement persona non grata; ça pourrait aussi bien ne pas exister.
Et il y a donc de fortes chances que des légions de particules de matière noire coulent à travers votre corps en ce moment. La masse combinée de ce flux sans fin peut façonner le destin des galaxies via l'influence gravitationnelle, mais elle traverse la matière normale sans même un bonjour. Rude, je sais, mais c'est une matière noire pour toi.
Apporter la lumière
Comme nous ne savons pas de quoi est faite la matière noire, nous sommes libres d'inventer toutes sortes de scénarios, à la fois banals et fantaisistes. L'image la plus simple de la matière noire dit qu'elle est grande et basique. Oui, il constitue la grande majorité de la masse de l'univers, mais il se compose d'une seule particule très prolifique qui ne fait rien d'autre que de la masse. Cela signifie que le matériau peut se faire connaître par gravité, mais autrement n'interagit jamais avec aucune des autres forces. Nous n'apercevrons jamais, jamais un aperçu de la matière noire faisant autre chose.
Les scénarios fantaisistes sont plus amusants.
Lorsque les théoriciens s'ennuient, ils inventent des idées sur ce que pourrait être la matière noire et, plus important encore, sur la façon dont nous pourrions la détecter. Le niveau suivant sur l'échelle des théories intéressantes de la matière noire indique que la substance peut parfois parler à la matière normale via la force nucléaire faible. Cette idée motive les expériences et les détecteurs de matière noire dans le monde entier aujourd'hui.
Mais encore, ce scénario suppose qu'il n'y a encore que quatre forces de la nature. Si la matière noire est une sorte de particule inédite, alors il est parfaitement raisonnable de suggérer (car nous n'avons aucune idée si nous avons raison ou non) qu'elle est emballée avec une force de la nature inconnue auparavant - ou peut-être un couple, qui sait ? Cette force potentielle pourrait laisser la matière noire parler uniquement à la matière noire, ou elle pourrait entrelacer la matière noire et l'énergie noire (que nous ne comprenons pas non plus), ou elle pourrait ouvrir un nouveau canal de communication entre les secteurs normal et sombre de notre univers..
Rise of the dark photon
Un portail de communication proposé entre les royaumes de la lumière et de l'obscurité est ce qu'on appelle un photon sombre, analogue au photon familier (léger) de la force électromagnétique. Nous ne pouvons pas voir, goûter ou sentir les photons sombres directement, mais ils pourraient se mêler à notre monde. Dans ce scénario, la matière noire émet des photons sombres, qui sont des particules relativement massives. Cela signifie qu'ils n'ont des effets que sur une courte portée, contrairement à leurs homologues légers. Mais parfois, un photon sombre pourrait interagir avec un photon régulier, modifiant son énergie et sa trajectoire.
Ce serait un événement très rare; sinon, nous aurions remarqué qu'il y a longtemps quelque chose de funky avec l'électromagnétisme.
Ainsi, même avec des photons sombres, nous ne pourrions pas voir directement la matière noire, mais nous pourrions flairer l'existence des photons sombres en examinant des masses d'interactions électromagnétiques. Dans une infime fraction de ces gouttes, un photon sombre pourrait «voler» l'énergie d'un photon régulier en interagissant avec lui.
Mais comme je l'ai dit, nous avons besoin de quantités d'interactions. Il se trouve que nous avons construit des machines géantes de la science pour produire exactement cela, alors nous avons de la chance.
Dans l'article arXiv, les physiciens ont rendu compte de leurs résultats après avoir examiné trois ans de données du Super Synchrotron à Protons, le deuxième plus grand accélérateur de particules du CERN. Pour cette expérience, les scientifiques ont fracassé les protons contre l'équivalent subatomique d'un mur de briques et ont examiné toutes les pièces à la suite..
Dans l'épave, les chercheurs ont trouvé des électrons - beaucoup d'entre eux. En trois ans, les scientifiques ont dénombré plus de 20 milliards d'électrons avec des énergies supérieures à 100 GeV. Parce que les électrons sont des particules chargées et aiment interagir les uns avec les autres, les électrons à haute énergie de cette expérience ont également engendré beaucoup de photons. Si des photons sombres existent, ils devraient parfois interagir avec et voler de l'énergie à l'un des photons réguliers, un phénomène qui apparaîtrait dans l'expérience comme un manque de lumière..
Cette recherche de photons sombres s'est révélée vide - tous les photons normaux étaient présents et pris en compte - mais cela n'exclut pas totalement l'existence de photons sombres. Au lieu de cela, il impose des limites aux propriétés admissibles de ces particules. S'ils existent, ils seraient de faible énergie (moins d'un GeV, d'après les résultats de l'expérience) et n'interagiraient que rarement avec des photons réguliers.
La recherche de photons sombres se poursuit, cependant, avec les futures exécutions de l'expérience qui se concentreront encore plus loin sur cette créature proposée du monde subatomique..
Lire la suite: "Recherche de matière noire dans les événements d'énergie manquante avec NA64"
Paul M. Sutter est astrophysicien à Université d'État de l'Ohio, hôte de "Demandez à un Spaceman" et "Radio spatiale,"et auteur de"Votre place dans l'univers."
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